物流i信息技术

基于数字图像处理的条码快速识别方法分析【摘要】条码技术是在计算机应用实践中产生和发展起来的一种自动识别技术，它所倡导的是数字化管理思想。随着 ERP、MRP、MES 等各类计算机管理信息系统的普及应用，使用条码技术能以低成本的方式有效解决各类管理信息系统所遇到的数据采集和输入的瓶颈问题，实现数据快速、准确的自动化采集，提升工作效能，实现管理目标。将数字图象处理技术引入条码分析中，实现了一维条码的快速识别。在研究过程中，使用条码扫描仪的光电设备采集信号，通过计算机并口实现高速的数据传输，对条码的数字图象进行处理，包括滤波降噪、边界检测、阀值分割等方法，最后通过逻辑值匹配的算法完成译码工作，实现了软件译码。【关键词】 数字图像 条码识别 并口【引言】 条形码自动识别技术是随着计算机的发展而兴起的一门应用新技术。与其它自动识别输入技术相比，条形码自动识别技术具有速度快、准确度高、可靠性强和成本低等优点，已广泛应用于商品流通、工业生产自动化、办公自动化等许多领域。条码作为信息的载体，自始自终发挥着关键的作用。随着现在企业中信息越来越多，信息的快速采集和高效处理被放在了显著的位置上。文中通过计算机并口进行数据通信，采用数字图象处理技术实现一维条码的识别，实现了软件解码，可以快速采集和处理工业现场的条码数据。一、条码技术概述（一）条码技术的应用与发展 条形码(简称条码)技术是在计算机技术和信息技术基础上发展起来的一门集编码、印刷、识别、数据采集于一体的新兴技术。近些年来发展相当迅速，现已应用在计算机管理的各个领域，成为当今信息采集和防伪的重要手段，并且渗透到了国民经济各行各业和人民日常的生活中。在先进的工业国家里，条码技术作为一种信息处理技术已成为社会化产物，不仅应用于生产过程，而且也应用于管理过程。在我国条码技术起步比较晚，但它的发展却非常迅速。条码技术现已应用在计算机管理的各个领域，渗透到了商业、工业、交通运输业、邮电通讯业、物资管理、仓储、医疗卫生、安全检查、餐饮旅游、票证管理以及军事装备、工程项目等国民经济各行各业。随着全球经济贸易体系的形成，研究条码技术有着重要意义。现代信息技术正快速地改变着我们的社会，在海量信息的处理过程中，人们开始关注如何确保数据信息与物理现实一一对应，如何改变手工输入数据，如何使输入质量和速度与其匹配，输入数据又以何种载体来记录和标识等问题。条形码自动识别技术就是在这样的环境下应运而生的。条码技术是在计算机的应用实践中产生和发展起来的一种自动识别技术，条码应用技术就是应用条码系统进行的信息处理技术。条码技术的研究始于20世纪中期，是继计算机技术应用和发展应运而生的。随着70年代微处理器的问世，标志着“信息化社会”的到来，它要求人们对社会上各个领域的信息、数据实施正确、有效、及时的采集、传递和管理。因此如何代替人的视觉、人的手工操作、或者在复杂的环境中正确、迅速地获取信息并加以识别，成为人们普遍关心和有关人员精心研究的课题。中国要发展市场经济，有无条形码也就成了能否顺利与国际市场接轨的一个重要条件。在这种有利形势下，中国条形码工作迈出了新的步伐，得到蓬勃发展。（二）条码简介条码是由一组规则排列，宽窄不一的条、空组成的标记，用以表示一定的信息，它是一种由光电扫描识读设备自动识读并实现信息自动输入计算机的图形标示符。条是指条码中反射率较低的部分；也就是指黑色或深色的条形。空是指条码中反射率较高的部分，也就是指白色或浅色的条形。条码信息靠条和空的不同宽度和位置来传递，信息量的大小是由条码的宽度和印刷的精度来决定的，条码越宽，包容的条和空越多，信息量越大。条码印刷的精度越高，单位长度内可以容纳的条和空越多，传递的信息量也就越大。这种条码技术在一个方向上通过“条”与“空”的排列组合来存储信息，所以叫它“一维条码”。这种用条、空组成的数据编码可以供机器识读，而且很容易译成二进制数和十进制数。（三）条码技术的优点条码是迄今为止最经济、实用的自动识别技术，其应用源于以下几个优点：1、输入速度快。与键盘输入相比，用条形码扫描读入电脑的速度大约是用键盘输入速度的100倍，并且能实现“即时数据输入”。如果说这些条码信息超过100个字节的话，那速度就不止快上100倍了。2、可靠性高。键盘输入数据出错率一般为三百分之一，利用光学字符识读技术出错率为万分之一，而采用条码技术误码率低于百万分之一。一般来说，据国外统计，一维条码的误读率只有百万分之一，二维条码的误读率更低，只有一亿分之一，相对于人工输入或者其它现在还不成熟的输入方法，条形码是最可靠输入方式。3、灵活实用。条码标识既可以作为一种识读手段单独使用，也可以和有关识读设备组成一个系统实现自动化识读，还可以和其它控制设备联接起来实现自动化管理。另外，条码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要求，识读设备操作容易，不需要特殊培训，而且设备也相对便宜。4、采集信息量大。利用传统的一维条码一次可采集几十位字符信息，二维条码可以携带数千个字符信息。5、寿命长。条形码比起磁卡，具有容易保存的作用，许多证件上的条码，只要保护得当，就不会变形，不会因为时间而损失信息。6、可携带性可复印性。条码作为一种平面的黑白相间的微小标签形式，具有携带方便与容易复印的特性，是所有可流通的识读手段中最好的方法。7、不可更改性。有些自动识读方式，如各种卡类产品，容易受到有心人士的更改，而条形码具有不可更改性，这也成为其独到的一种防止滥用方式。二、条码识别技术的研究意义 条码技术在我国的应用比较晚，1990 年以前几乎所有的中国商品都没有条码。从 80 年代中期开始，我国一些高等院校、科研部门及出口企业，逐步把条码技术的研究和推广应用提到议事日程。1988 年 12 月 28 日，经国务院批准，国家技术监督局立了“中国物品编码中心”，其主要任务是研究、推广条码技术，同时组织、开发、协调、管理我国的条码工作。1991 年 4 月该中心代表中国加入 EAN，是全球 99 个国家(或地区)编码组织成员之一。1991 年 5 月，中国制定并颁布了有关条码的一系列国家标准，并从 1992 年 1 月 1 日起实行。目前我国条码技术产业还处于初级阶段，产业规模偏小，在国际市场上所占份额偏低，与我国巨大的条码技术应用市场不相匹配。 目前占领中国市场半壁江山的是美国码捷(Metrologic)公司所生产的Metrofogic系列条码扫描设备。而这样的激光电子设备价格并不低廉，码捷公司的单线激光扫描枪价格基本都在千元上下，即使是国产的扫描枪也要300-1000元。假如一个大型超市有10个出口，每个出口配一个扫描枪，单就这个成本就要接近1万元，如果算上设备的日常损耗和维修更换，成本就非常大。国产激光扫描枪技术落后，市场占有率低，从传统扫描枪上与对手竞争是比较困难的。 由一般条码识读器的原理可知:条形码的宽窄和颜色的对比度都会对光的反射产生影响，不可避免的会影响到条码正确识读；此外，由于光电识读器采用线扫描方式，斑点、脏污和纸面断裂也会造成反射光的差异，相应的对条码识读也必然会产生影响。因此，一方面条码标准化工作需要大力加强；另一方面研制有一定的辨识能力的条码阅读装置具有十分重要的现实意义。条码图像辨识在一些特殊情况下将发挥着极大的优势。图像处理识读方法是首先对条码图像进行处理，然后利用统计方法，根据相似边距离来判别条码字符，再通过译码、校验、纠错处理来识读条码，这样将大大降低条码印刷质量以及条码污染等各种因素的干扰，从而有效地提高条码的识读率。使用条码标识信息、并将条形码表示的信息转换成计算机可识读。三、条码自动识别技术条形码自动识别技术是随着计算机的发展而兴起的一门应用新技术。与其它自动识别输入技术相比，条形码自动识别技术具有速度快、准确度高、可靠性强和成本低等优点，已广泛应用于商品流通、工业生产自动化、办公自动化等许多领域。条码作为信息的载体，自始自终发挥着关键的作用。随着现在企业中信息越来越多，信息的快速采集和高效处理被放在了显著的位置上。文中通过计算机并口进行数据通信，采用数字图象处理技术实现一维条码的识别，实现了软件解码，可以快速采集和处理工业现场的条码数据。（1） 图像处理识读方法的原理 在基于图像的条码识别中摄像头只作为一个图像采集设备，真正进行数据运算的是计算机中的软件。而对于扫描枪来说，它首先通过光敏器件接收条码反射光的强弱情况，然后经过必要的修正和处理后将数据传送给计算机，在这个过程中，扫描枪既作为输入设备，又具有运算的任务，功能的复杂性决定了它的高成本。计算机具有强大的运算能力，将图像信息的运算放到计算机中是一种更好的方式。（二） 数字图像处理系统 根据图象处理的一般要求，本系统包括以下几个环节：信号采集、数据传输、数字图象处理(滤波降噪、边界检测、阀值分割)、译码输出。系统结构如图1所示：图1 系统结构1、信号采集 信号采集由条码扫描器的光电设备完成，本文采用美国SYMBOL公司的微型激光条码扫描器，型号为LS2208AP。该扫描器的光源为650nm可见激光二极管，扫描速度100次/秒，扫描精度5mil，采样时序图如图2所示：图2 采样时序图 开关信号一次接通的持续时间为5s；一个扫描周期内，正反相各占16ms；一次采样触发信号的持续时间为1.4s。2、数据传输 由于PC机运行速度远高于单片机，我们将扫描器采集到的电信号通过计算机接口送给计算机处理。这种方法不存在通信协议方面的问题，数据输入简单、方便，如果采用高效的译码程序，将很大程度地提高数据处理的效率。 PC机一般都配有一个标准的CENTRONICS并行打印机接口，它也可以作为通用并行I/O口来使用。图3为常用的PC机并行口引脚图，内部包括三个并行I/O端口，地址分别为：0X378、0X37A、0X379，通过对这三个端口的控制，可以实现数据和控制信号的输入和输出。（1）0X378口包含8位数据输入输出线（D0D7），通过读写0X378H端口可以对数据线上的数据进行读写操作。进行一次写操作，就将一个8位数据写到寄存器锁存并输出；进行一次读操作，读入锁存在寄存器中的值。（2）0X37A口包含4根控制信号输出线，可以通过该端口把控制信号输出到外部数据线上。（3）0X379口包含5根状态输入线，通过该端口可以把扫描器上的状态信号输入到PC机，文中采用379口的引脚10、12、13分别与扫描器内部芯片的开关信号、扫描方向信号、检测输出信号端相连(图4)，实现数据传输。图3 常用的PC并口引脚 P1检测输出信号 P2扫描方向信号 P3开关信号图4 PC并口与扫描器芯片连接图3、 数字图象处理 数字图象处理是将采集到的图象经A/D转换器数字化后，图象转换为由一定数量级的数字所表示的数学矩阵，然后用计算机根据一定的算法对其进行处理的过程。 本文采用Borland C+ Builder为开发环境，利用该软件强大的图形图象处理功能，结合MIL所带的一系列函数，完成图象的实时处理和图象后处理。 当数据传输的任务完成后，单片机传输到PC机的是A/D转换后的数字量，表现为：当激光扫到条码的白色区域，检测到高电平；当激光扫到条码的黑色区域，检测到低电平，分别用数字1、0表示，用数字图象的形式表达出来，如图5所示。图5 条码数字图象（1）滤波消噪数字化后的条码图象存在一定的噪声干扰，本文采用滤波的方法进行消噪处理，从而改善图象质量，便于特征提取。通过分析可知，图中的噪声主要包括孤点噪声和边缘毛刺噪声两部分。对于孤点噪声，本文采用中值滤波的方法进行消噪处理。中值滤波技术对干扰脉冲和点状噪声有良好的抑制作用，而对图象边缘能保持良好的非线性，起到既消除噪声又保持图像细节的作用。采用中值滤波方法对图5做消噪处理，结果如图6所示：图6 中值滤波后的条码图象对于边缘毛刺，采用求平均值的方法处理。由于图象各行在同一位置的条空宽度不等，就会出现边缘毛刺现象。因此，本文将每个位置上逐行扫描到的条空宽度求平均值，得到该位置的条空宽度并输出。图7 均值滤波后的条码图象（2）边界检测由于光源扫描的范围不仅包括条码区，还包括非条码区，所以得到的数字图象也包括条码区和两侧静区(如图8所示)，需对其进行边界检测，将条码部分提取出来，以便进行译码处理。本文采用相邻条空宽度比较的方法判别条码的起止位置：当所测条的宽度的10倍小于上一空的宽度时，此条即为条码的开始位置；当所测空的宽度大于上一条的宽度的10倍时，条码部分截止。图8 条码图象组成（3）阀值分割受信号采集精度的影响，计算机输出的条码元素的宽度与实际值之间存在误差，如果直接译码，难免要出现误读的现象。因此，本文采用阀值分割的方法，选定一个宽度阀值M，通过如下公式将所有条码元素的宽度f(x)划分为宽条、窄条、窄空、宽空四类，逻辑值分别为-2、-1、1、2，这种方法可以消除硬件带来的误差，保证了输出信息的正确性。4、译码输出不同码制的条码，编码规则一般不同，解码方法也不同。本文采用逻辑值匹配的方法对目前常用的UPC/EAN码做译码分析，这两种码制的每个字符都由两条两空组成，以字符“5”为例，当它表示一位右手偶